Токамак ( / ˈ t oʊ k ə m æ k / ; русский : токамáк ) — это устройство, которое использует мощное магнитное поле , создаваемое внешними магнитами, для удержания плазмы в форме аксиально-симметричного тора . [1] Токамак — один из нескольких типов устройств магнитного удержания , разрабатываемых для получения управляемой термоядерной энергии . Концепция токамака в настоящее время является одним из ведущих кандидатов на роль практического термоядерного реактора . [2]
Предложение об использовании управляемого термоядерного синтеза в промышленных целях и конкретная схема с использованием термоизоляции высокотемпературной плазмы электрическим полем были впервые сформулированы советским физиком Олегом Лаврентьевым в работе середины 1950-х годов. [3] В 1951 году Андрей Сахаров и Игорь Тамм модифицировали схему, предложив теоретическую основу термоядерного реактора, в котором плазма имела бы форму тора и удерживалась магнитным полем. [4]
Первый токамак был построен в 1954 году, [5] и более десятилетия эта технология существовала только в СССР. В 1968 году на токамаке Т-3, построенном в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова под руководством академика Л.А. Арцимовича, была достигнута электронная температура плазмы 1 кэВ. [6] [7] [8]
К середине 1960-х годов проекты токамаков начали демонстрировать значительно улучшенные характеристики. Первые результаты были опубликованы в 1965 году, но были проигнорированы; Лайман Спитцер сразу же отклонил их, заметив потенциальные проблемы в их системе измерения температур. Второй набор результатов был опубликован в 1968 году, на этот раз заявляя о производительности, намного превосходящей любую другую машину. Когда они также были встречены скептически, Советы пригласили британских ученых из лаборатории в Калхэмском центре термоядерной энергии (Никол Пикок и др.) в СССР с их оборудованием. [9] Измерения на Т-3 подтвердили результаты, [10] [11] подстегнув всемирную панику по строительству токамаков. Было показано, что для устойчивого равновесия плазмы требуются линии магнитного поля , которые обвиваются вокруг тора по спирали . Такие устройства, как z-пинч и стелларатор, пытались это сделать, но продемонстрировали серьезную нестабильность. Именно разработка концепции, ныне известной как коэффициент безопасности (обозначаемый q в математической нотации), стала руководством к развитию токамаков; благодаря компоновке реактора таким образом, чтобы критический коэффициент q всегда был больше 1, токамаки значительно подавляли нестабильности, преследовавшие более ранние конструкции.
К середине 1970-х годов десятки токамаков использовались по всему миру. К концу 1970-х годов эти машины достигли всех условий, необходимых для практического синтеза , хотя и не в одно и то же время и не в одном реакторе . С целью безубыточности ( коэффициент усиления энергии синтеза, равный 1) теперь была видна новая серия машин, которые работали бы на термоядерном топливе из дейтерия и трития . Эти машины, в частности, Joint European Torus (JET) и Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), имели явную цель достичь безубыточности.
Вместо этого эти машины продемонстрировали новые проблемы, которые ограничивали их производительность. Для их решения потребовалась бы гораздо более крупная и дорогая машина, выходящая за рамки возможностей любой одной страны. После первоначального соглашения между Рональдом Рейганом и Михаилом Горбачевым в ноябре 1985 года возникла инициатива Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР), которая остается основной международной инициативой по разработке практической термоядерной энергии. Многие более мелкие конструкции и ответвления, такие как сферический токамак , продолжают использоваться для исследования параметров производительности и других вопросов. По состоянию на 2024 год [обновлять]рекордсменом по выходу термоядерной энергии остается JET с выходом энергии 69 МДж за 5-секундный период. [12]
Слово токамак является транслитерацией русского слова токамак , аббревиатуры от:
то роидальный
к роидальной
к роидальному
ка мера
ка мера
камера
с
с
с
ма гнитными
ма гнитыми
магнитный
к атушкам
к атушками
с маслами
или:
то роидальный
к роидальной
к роидальному
кам эра
кам эра
камера
с
с
с
ак сиальный
ак сиальным
осевой
магнитный
магнитный
магнитный
полем
полем
поле
[13]
Термин «токамак» был придуман в 1957 году [14] Игорем Головиным , учеником академика Игоря Курчатова . Первоначально оно звучало как «токамаг» («токамаг») — аббревиатура слов « то роидальная камера магнитная » (« то роидальная камера маг нитная »), но Натан Явлинский , автор первой тороидальной системы, предложил заменить «-маг» с «-мак» для благозвучия. [15] Позднее это название было заимствовано многими языками.
В 1934 году Марк Олифант , Пол Хартек и Эрнест Резерфорд первыми осуществили термоядерный синтез на Земле, используя ускоритель частиц для выстреливания ядрами дейтерия в металлическую фольгу, содержащую дейтерий или другие атомы. [16] Это позволило им измерить ядерное поперечное сечение различных реакций синтеза и определить, что реакция дейтерий-дейтерий происходила при более низкой энергии, чем другие реакции, достигая пика примерно при 100 000 электронвольт (100 кэВ). [17] [a]
Синтез на основе ускорителя непрактичен, поскольку поперечное сечение реактора мало; большинство частиц в ускорителе будут рассеиваться от топлива, а не сливаться с ним. Эти рассеивания приводят к тому, что частицы теряют энергию до такой степени, что они больше не могут подвергаться синтезу. Энергия, вложенная в эти частицы, таким образом, теряется, и легко продемонстрировать, что это гораздо больше энергии, чем могут выделить полученные реакции синтеза. [19]
Для поддержания синтеза и получения чистой энергии основная часть топлива должна быть нагрета до высоких температур, чтобы ее атомы постоянно сталкивались на высокой скорости; отсюда и название термоядерный из-за высоких температур, необходимых для его осуществления. В 1944 году Энрико Ферми рассчитал, что реакция будет самоподдерживающейся при температуре около 50 000 000 К; при этой температуре скорость, с которой энергия выделяется реакциями, достаточно высока, чтобы они нагревали окружающее топливо достаточно быстро, чтобы поддерживать температуру против потерь в окружающую среду, продолжая реакцию. [19]
В ходе Манхэттенского проекта был создан первый практический способ достижения этих температур с использованием атомной бомбы . В 1944 году Ферми выступил с докладом о физике термоядерного синтеза в контексте тогда еще гипотетической водородной бомбы . Однако некоторые мысли уже высказывались относительно управляемого термоядерного устройства, и Джеймс Л. Так и Станислав Улам попытались сделать это, используя кумулятивные заряды, управляющие металлической фольгой, пропитанной дейтерием, хотя и безуспешно. [20]
Первые попытки построить практическую машину для термоядерного синтеза были предприняты в Великобритании , где Джордж Пейджет Томсон выбрал эффект пинча в качестве перспективной технологии в 1945 году. После нескольких неудачных попыток получить финансирование он сдался и попросил двух аспирантов, Стэнли (Стэн) У. Казинса и Алана Альфреда Уэра (1924–2010 [21] ), построить устройство из излишков радиолокационного оборудования. Оно было успешно запущено в эксплуатацию в 1948 году, но не показало явных доказательств термоядерного синтеза и не привлекло интереса со стороны Исследовательского центра атомной энергии [ 22]
В 1950 году Олег Лаврентьев , тогда сержант Красной Армии, служивший на Сахалине , написал письмо в Центральный Комитет Коммунистической партии Советского Союза . В письме излагалась идея использования атомной бомбы для воспламенения термоядерного топлива, а затем описывалась система, которая использовала электростатические поля для удержания горячей плазмы в устойчивом состоянии для производства энергии. [23] [24] [b]
Письмо было отправлено Андрею Сахарову для комментариев. Сахаров отметил, что «автор формулирует очень важную и не обязательно безнадежную проблему», и обнаружил, что его главная проблема в конструкции заключается в том, что плазма будет попадать на электродные провода, а также в том, что «широкие сетки и тонкая токопроводящая часть должны будут отражать почти все падающие ядра обратно в реактор. По всей вероятности, это требование несовместимо с механической прочностью устройства». [23]
Некоторое указание на важность, придаваемую письму Лаврентьева, можно увидеть в скорости, с которой оно было обработано: письмо было получено Центральным Комитетом 29 июля, Сахаров направил свой отзыв 18 августа, к октябрю Сахаров и Игорь Тамм завершили первое детальное исследование термоядерного реактора и в январе 1951 года запросили финансирование для его строительства. [25]
При нагревании до температур синтеза электроны в атомах диссоциируют, в результате чего образуется жидкость из ядер и электронов, известная как плазма . В отличие от электрически нейтральных атомов, плазма является электропроводящей и, следовательно, может управляться электрическими или магнитными полями. [26]
Озабоченность Сахарова электродами привела его к мысли об использовании магнитного удержания вместо электростатического. В случае магнитного поля частицы будут вращаться вокруг силовых линий . [26] Поскольку частицы движутся с высокой скоростью, их результирующие траектории выглядят как спираль. Если расположить магнитное поле так, чтобы силовые линии были параллельны и близки друг к другу, частицы, вращающиеся вокруг соседних линий, могут столкнуться и слиться. [27]
Такое поле можно создать в соленоиде , цилиндре с магнитами, обернутыми снаружи. Объединенные поля магнитов создают набор параллельных магнитных линий, идущих по всей длине цилиндра. Такое расположение предотвращает движение частиц вбок к стенке цилиндра, но не мешает им выбегать через конец. Очевидным решением этой проблемы является сгибание цилиндра в форму бублика или тора, так чтобы линии образовывали ряд непрерывных колец. В таком расположении частицы вращаются бесконечно. [27]
Сахаров обсудил концепцию с Игорем Таммом , и к концу октября 1950 года они написали предложение и отправили его Игорю Курчатову , директору проекта атомной бомбы в СССР, и его заместителю Игорю Головину . [27] Однако это первоначальное предложение игнорировало фундаментальную проблему: при расположении вдоль прямого соленоида внешние магниты расположены равномерно, но при изгибе в тор они оказываются ближе друг к другу на внутренней стороне кольца, чем снаружи. Это приводит к неравномерным силам, которые заставляют частицы дрейфовать в сторону от своих магнитных линий. [28] [29]
Во время визитов в Лабораторию измерительных приборов Академии наук СССР (ЛИПАН), советский ядерный исследовательский центр, Сахаров предложил два возможных решения этой проблемы. Одно из них заключалось в подвешивании токонесущего кольца в центре тора. Ток в кольце создавал бы магнитное поле, которое смешивалось бы с полем от магнитов снаружи. Результирующее поле было бы закручено в спираль, так что любая данная частица оказывалась бы многократно снаружи, затем внутри тора. Дрейфы, вызванные неравномерными полями, находятся в противоположных направлениях внутри и снаружи, поэтому в ходе множественных орбит вокруг длинной оси тора противоположные дрейфы компенсировались бы. В качестве альтернативы он предложил использовать внешний магнит для индуцирования тока в самой плазме вместо отдельного металлического кольца, что имело бы тот же эффект. [28]
В январе 1951 года Курчатов организовал совещание в ЛИПАНе для рассмотрения концепций Сахарова. Они нашли широкий интерес и поддержку, и в феврале доклад по этой теме был направлен Лаврентию Берии , который курировал атомные работы в СССР. Некоторое время ничего не было слышно в ответ. [28]
25 марта 1951 года президент Аргентины Хуан Перон объявил, что бывший немецкий ученый Рональд Рихтер преуспел в создании термоядерного синтеза в лабораторных масштабах в рамках проекта, который сейчас известен как проект Уэмуль . Ученые всего мира были взволнованы этим заявлением, но вскоре пришли к выводу, что это неправда; простые расчеты показали, что его экспериментальная установка не могла производить достаточно энергии для нагрева термоядерного топлива до необходимых температур. [30]
Хотя исследователи-ядерщики отвергли это, широкое освещение в новостях означало, что политики внезапно узнали и стали восприимчивы к исследованиям в области термоядерного синтеза. В Великобритании Томсону внезапно предоставили значительное финансирование. В течение следующих месяцев были запущены и запущены два проекта, основанные на системе пинча. [31] В США Лайман Спитцер прочитал историю Хуэмуля, понял, что это ложь, и приступил к проектированию машины, которая будет работать. [32] В мае он получил 50 000 долларов на начало исследований по своей концепции стелларатора . [33] Джим Так ненадолго вернулся в Великобританию и увидел машины пинча Томсона. Когда он вернулся в Лос-Аламос, он также получил 50 000 долларов напрямую из бюджета Лос-Аламоса. [34]
Похожие события произошли в СССР . В середине апреля Дмитрий Ефремов из Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры ворвался в кабинет Курчатова с журналом, содержащим статью о работе Рихтера, требуя объяснить, почему их победили аргентинцы. Курчатов немедленно связался с Берией с предложением создать отдельную лабораторию по исследованию термоядерного синтеза под руководством Льва Арцимовича . Всего несколько дней спустя, 5 мая, предложение было подписано Иосифом Сталиным . [28]
К октябрю Сахаров и Тамм завершили гораздо более детальное рассмотрение своего первоначального предложения, призывая к устройству с большим радиусом (тора в целом) 12 метров (39 футов) и малым радиусом (внутренней части цилиндра) 2 метра (6 футов 7 дюймов). Предложение предполагало, что система могла бы производить 100 граммов (3,5 унции) трития в день или разводить 10 килограммов (22 фунта) U233 в день. [28]
По мере дальнейшего развития идеи стало ясно, что ток в плазме может создавать поле, достаточно сильное, чтобы удерживать плазму, устраняя необходимость во внешних катушках. [35] К этому моменту советские исследователи заново изобрели систему пинча, разрабатываемую в Великобритании, [20] хотя они пришли к этой конструкции с совершенно другой отправной точки.
Как только была предложена идея использования эффекта пинча для удержания, стало очевидным гораздо более простое решение. Вместо большого тороида можно было просто индуцировать ток в линейной трубке, что могло заставить плазму внутри схлопнуться в нить. Это имело огромное преимущество: ток в плазме нагревал ее посредством обычного резистивного нагрева , но это не нагревало плазму до температур синтеза. Однако, когда плазма схлопывалась, адиабатический процесс приводил к резкому повышению температуры, более чем достаточному для синтеза. С этим развитием только Головин и Натан Явлинский продолжали рассматривать более статичную тороидальную компоновку. [35]
4 июля 1952 года группа Николая Филиппова измерила нейтроны , высвобождаемые из линейной пинч-машины. Лев Арцимович потребовал, чтобы они проверили все, прежде чем сделать вывод о том, что произошел синтез, и во время этих проверок они обнаружили, что нейтроны были вовсе не от синтеза. [35] Такое же линейное расположение также встречалось исследователям в Великобритании и США, и их машины показали такое же поведение. Но большая секретность, окружающая этот тип исследований, означала, что ни одна из групп не знала, что другие также работали над этим, не говоря уже о том, что у них была идентичная проблема. [36]
После долгих исследований было обнаружено, что некоторые из высвобождаемых нейтронов были вызваны нестабильностями в плазме. Было два распространенных типа нестабильности: колбаса , которая наблюдалась в основном в линейных машинах, и перегиб , который был наиболее распространен в тороидальных машинах. [36] Группы во всех трех странах начали изучать образование этих нестабильностей и потенциальные способы их решения. [37] Важный вклад в эту область внесли Мартин Дэвид Крускал и Мартин Шварцшильд в США, а также Шафранов в СССР. [38]
Одна из идей, которая возникла в результате этих исследований, стала известна как «стабилизированный пинч». Эта концепция добавляла дополнительные катушки снаружи камеры, что создавало магнитное поле, которое присутствовало в плазме до пинч-разряда. В большинстве концепций внешнее индуцированное поле было относительно слабым, и поскольку плазма является диамагнитной , оно проникало только во внешние области плазмы. [36] Когда происходил пинч-разряд и плазма быстро сжималась, это поле «замораживалось» в результирующую нить, создавая сильное поле в ее внешних слоях. В США это было известно как «придание плазме хребта». [39]
Сахаров пересмотрел свои первоначальные тороидальные концепции и пришел к несколько иному выводу о том, как стабилизировать плазму. Схема будет такой же, как и в концепции стабилизированного пинча, но роль двух полей будет обратной. Вместо слабых внешне индуцированных магнитных полей, обеспечивающих стабилизацию, и сильного тока пинча, ответственного за удержание, в новой схеме внешнее поле будет намного более мощным, чтобы обеспечить большую часть удержания, в то время как ток будет намного меньше и ответственным за стабилизирующий эффект. [35]
В 1955 году, когда линейные подходы все еще были подвержены нестабильности, в СССР было построено первое тороидальное устройство. TMP была классической пинч-машиной, похожей на модели в Великобритании и США той же эпохи. Вакуумная камера была сделана из керамики, а спектры разрядов показывали кремний, что означало, что плазма не была идеально ограничена магнитным полем и ударялась о стенки камеры. [35] Затем последовали две машины поменьше, в которых использовались медные оболочки. [40] Проводящие оболочки были предназначены для стабилизации плазмы, но не были полностью успешными ни в одной из машин, которые пытались это сделать. [41]
Поскольку прогресс, по-видимому, застопорился, в 1955 году Курчатов созвал Всесоюзную конференцию советских исследователей с конечной целью открыть исследования в области термоядерного синтеза в СССР. [42] В апреле 1956 года Курчатов отправился в Великобританию в рамках широко разрекламированного визита Никиты Хрущева и Николая Булганина . Он предложил выступить с докладом в Исследовательском центре атомной энергии, на бывшей базе Королевских ВВС в Харвелле , где он шокировал хозяев, представив подробный исторический обзор советских усилий по термоядерному синтезу. [43] Он уделил время, чтобы отметить, в частности, нейтроны, наблюдаемые в ранних машинах, и предупредил, что нейтроны не означают термоядерный синтез. [44]
Курчатов не знал, что британская стабилизированная пинч-машина ZETA строилась на дальнем конце бывшей взлетно-посадочной полосы. ZETA была, безусловно, самой большой и мощной термоядерной машиной на сегодняшний день. Поддерживаемая экспериментами на более ранних конструкциях, которые были модифицированы для включения стабилизации, ZETA намеревалась производить низкие уровни термоядерных реакций. Это, по-видимому, было большим успехом, и в январе 1958 года они объявили, что термоядерный синтез был достигнут в ZETA на основе высвобождения нейтронов и измерений температуры плазмы. [45]
Виталий Шафранов и Станислав Брагинский изучили новостные репортажи и попытались выяснить, как это работает. Одной из возможностей, которую они рассматривали, было использование слабых «замороженных» полей, но они отвергли это, полагая, что поля не будут существовать достаточно долго. Затем они пришли к выводу, что ZETA по сути идентична устройствам, которые они изучали, с сильными внешними полями. [43]
К этому времени советские исследователи решили построить более крупную тороидальную машину по схемам, предложенным Сахаровым. В частности, их конструкция учитывала один важный момент, найденный в работах Крускала и Шафранова: если бы спиральная траектория частиц заставляла их циркулировать по окружности плазмы быстрее, чем они циркулировали по длинной оси тора, то неустойчивость изгиба была бы сильно подавлена. [37]
(Для ясности: электрический ток в катушках, обвивающих тор, создает тороидальное магнитное поле внутри тора; импульсное магнитное поле через отверстие в торе индуцирует аксиальный ток в торе, который имеет полоидальное магнитное поле вокруг него; также могут быть кольца тока выше и ниже тора, которые создают дополнительное полоидальное магнитное поле. Объединенные магнитные поля образуют спиральную магнитную структуру внутри тора.)
Сегодня эта базовая концепция известна как фактор безопасности . Отношение числа оборотов частицы вокруг большой оси по сравнению с малой осью обозначается q , а предел Крускала-Шафранова утверждает, что перегиб будет подавлен до тех пор, пока q > 1. Этот путь контролируется относительной силой внешне индуцированного магнитного поля по сравнению с полем, созданным внутренним током. Чтобы иметь q > 1, внешние магниты должны быть намного мощнее, или, в качестве альтернативы, внутренний ток должен быть уменьшен. [37]
Следуя этому критерию, началось проектирование нового реактора, Т-1, который сегодня известен как первый настоящий токамак. [40] Т-1 использовал как более сильные внешние магнитные поля, так и уменьшенный ток по сравнению со стабилизированными пинч-машинами, такими как ZETA. Успех Т-1 привел к его признанию в качестве первого рабочего токамака. [46] [47] [48] [49] За свою работу по «мощным импульсным разрядам в газе, для получения необычайно высоких температур, необходимых для термоядерных процессов», Явлинский был удостоен Ленинской и Сталинской премий в 1958 году. Явлинский уже готовил проект еще большей модели, позже построенной как Т-3. После очевидно успешного объявления ZETA, концепция Явлинского была воспринята очень благосклонно. [43] [50]
Подробности ZETA стали общедоступными в серии статей в Nature в конце января. К удивлению Шафранова, система действительно использовала концепцию «замороженного» поля. [43] Он оставался скептиком, но команда в Институте Иоффе в Санкт-Петербурге начала планировать создание аналогичной машины, известной как Альфа. Всего несколько месяцев спустя, в мае, команда ZETA выпустила релиз, в котором говорилось, что им не удалось достичь синтеза, и что их ввели в заблуждение ошибочные измерения температуры плазмы. [51]
T-1 начал работу в конце 1958 года. [52] [c] Он продемонстрировал очень высокие потери энергии через излучение. Это было отслежено до примесей в плазме из-за вакуумной системы, вызывающей дегазацию материалов контейнера. Для того, чтобы исследовать решения этой проблемы, было построено еще одно небольшое устройство, T-2. Оно использовало внутреннюю облицовку из гофрированного металла, которая была запечена при 550 °C (1022 °F) для выпаривания захваченных газов. [52]
В рамках второй встречи «Атомы для мира» в Женеве в сентябре 1958 года советская делегация опубликовала множество документов, посвященных их исследованиям в области термоядерного синтеза. Среди них был набор первоначальных результатов по их тороидальным машинам, которые на тот момент не показали ничего примечательного. [53]
«Звездой» шоу стала большая модель стелларатора Спитцера, которая сразу же привлекла внимание Советов. В отличие от их конструкций, стелларатор создавал требуемые закрученные пути в плазме без пропускания тока через нее, используя ряд внешних катушек (создающих внутренние магнитные поля), которые могли работать в устойчивом состоянии, а не импульсы индукционной системы, которые создавали аксиальный ток. Курчатов начал просить Явлинского изменить их конструкцию Т-3 на стелларатор, но они убедили его, что ток обеспечивает полезную вторую роль в нагреве, чего не хватало стелларатору. [53]
На момент шоу стелларатор страдал от длинной череды мелких проблем, которые только что были решены. Решение этих проблем показало, что скорость диффузии плазмы была намного выше, чем предсказывала теория. Аналогичные проблемы наблюдались во всех современных конструкциях по той или иной причине. Стелларатор, различные концепции пинча и машины с магнитным зеркалом как в США, так и в СССР — все они демонстрировали проблемы, которые ограничивали время их удержания. [52]
С первых исследований управляемого синтеза, на заднем плане была проблема. Во время Манхэттенского проекта Дэвид Бом был частью команды, работавшей над изотопным разделением урана . В послевоенную эпоху он продолжал работать с плазмой в магнитных полях. Используя базовую теорию, можно было бы ожидать, что плазма будет диффундировать поперек силовых линий со скоростью, обратно пропорциональной квадрату напряженности поля, что означает, что небольшое увеличение силы значительно улучшит удержание. Но на основе своих экспериментов Бом разработал эмпирическую формулу, теперь известную как диффузия Бома , которая предполагала, что скорость была линейной с магнитной силой, а не ее квадратом. [54]
Если формула Бома была верна, не было никакой надежды построить термоядерный реактор на основе магнитного удержания. Чтобы удержать плазму при температурах, необходимых для термоядерного синтеза, магнитное поле должно было бы быть на порядки больше, чем у любого известного магнита. Спитцер приписывал разницу между бомовской и классической скоростями диффузии турбулентности в плазме [55] и считал, что устойчивые поля стелларатора не будут страдать от этой проблемы. Различные эксперименты того времени показали, что скорость Бома неприменима, и что классическая формула верна. [54]
Но к началу 1960-х годов, когда все различные конструкции давали утечку плазмы с невероятной скоростью, сам Спитцер пришел к выводу, что масштабирование Бома было неотъемлемым качеством плазмы, и что магнитное удержание не будет работать. [52] Вся область погрузилась в то, что стало известно как «упадок сил», [56] период сильного пессимизма. [35]
В отличие от других конструкций, экспериментальные токамаки, казалось, продвигались хорошо, настолько хорошо, что небольшая теоретическая проблема теперь стала реальной проблемой. В присутствии гравитации в плазме есть небольшой градиент давления, ранее достаточно малый, чтобы его игнорировать, но теперь становящийся чем-то, что нужно было решать. Это привело к добавлению еще одного набора катушек в 1962 году, который создавал вертикальное магнитное поле, компенсирующее эти эффекты. Это было успешно, и к середине 1960-х годов машины начали показывать признаки того, что они преодолевают предел Бома . [57]
На Второй конференции Международного агентства по атомной энергии 1965 года по термоядерному синтезу в недавно открытом в Великобритании Центре термоядерной энергии Калхэма Арцимович сообщил, что их системы превосходят предел Бома в 10 раз. Спитцер, просматривая презентации, предположил, что предел Бома все еще может применяться; результаты были в пределах экспериментальной погрешности результатов, наблюдаемых на стеллараторах, а измерения температуры, основанные на магнитных полях, были просто ненадежными. [57]
Следующая крупная международная встреча по термоядерному синтезу состоялась в августе 1968 года в Новосибирске . К этому времени были завершены еще два проекта токамака, ТМ-2 в 1965 году и Т-4 в 1968 году. Результаты Т-3 продолжали улучшаться, и аналогичные результаты были получены в ходе ранних испытаний новых реакторов. На встрече советская делегация объявила, что Т-3 производит электронные температуры 1000 эВ (эквивалентно 10 миллионам градусов Цельсия) и что время удержания по крайней мере в 50 раз превышает предел Бома. [58]
Эти результаты были по крайней мере в 10 раз больше, чем у любой другой машины. Если они были верны, они представляли собой огромный скачок для сообщества термоядерного синтеза. Спитцер остался скептиком, отметив, что измерения температуры все еще основывались на косвенных расчетах магнитных свойств плазмы. Многие пришли к выводу, что они были вызваны эффектом, известным как убегающие электроны , и что Советы измеряли только эти чрезвычайно энергичные электроны, а не объемную температуру. Советы возразили несколькими аргументами, предполагая, что измеряемая ими температура была максвелловской , и спор разгорелся. [59]
После ZETA британские команды начали разработку новых плазменных диагностических инструментов для обеспечения более точных измерений. Среди них было использование лазера для прямого измерения температуры электронов с использованием томсоновского рассеяния . Эта техника была хорошо известна и уважаема в сообществе термоядерного синтеза; [60] Арцимович публично назвал ее «блестящей». Арцимович пригласил Баса Пиза , главу Culham, использовать их устройства на советских реакторах. В разгар холодной войны , что до сих пор считается крупным политическим маневром со стороны Арцимовича, британским физикам разрешили посетить Курчатовский институт, сердце советских усилий по созданию ядерной бомбы. [61]
Британская команда, прозванная «Пятеркой Калхэма», [62] прибыла в конце 1968 года. После длительного процесса установки и калибровки команда измерила температуры в течение многих экспериментальных запусков. Первоначальные результаты были доступны к августу 1969 года; Советы были правы, их результаты были точными. Команда позвонила домой Калхэму, который затем передал их в конфиденциальном телефонном звонке в Вашингтон. [63] Окончательные результаты были опубликованы в журнале Nature в ноябре 1969 года . [64] Результаты этого объявления были описаны как «настоящая паника» строительства токамаков по всему миру. [65]
Оставалась одна серьезная проблема. Поскольку электрический ток в плазме был намного ниже и создавал гораздо меньшее сжатие, чем пинч-машина, это означало, что температура плазмы была ограничена скоростью резистивного нагрева тока. Впервые предложенная в 1950 году, теория сопротивления Спитцера утверждала, что электрическое сопротивление плазмы уменьшалось по мере увеличения температуры, [66] что означало, что скорость нагрева плазмы будет замедляться по мере совершенствования устройств и повышения температуры. Расчеты показали, что результирующие максимальные температуры, оставаясь в пределах q > 1, будут ограничены низкими миллионами градусов. Арцимович поспешил указать на это в Новосибирске, заявив, что будущий прогресс потребует разработки новых методов нагрева. [67]
Одним из людей, присутствовавших на встрече в Новосибирске в 1968 году, был Амаса Стоун Бишоп , один из лидеров американской программы термоядерного синтеза. Одним из немногих других устройств, показавших явные доказательства преодоления предела Бома в то время, была концепция мультиполя. И Лоуренс Ливермор , и Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL), где находился стелларатор Спитцера, строили вариации на основе конструкции мультиполя. Несмотря на умеренный успех по отдельности, Т-3 значительно превзошел любую из этих машин. Бишоп был обеспокоен тем, что мультиполи были избыточными, и считал, что США следует рассмотреть возможность создания собственного токамака. [68]
Когда он поднял этот вопрос на встрече в декабре 1968 года, директора лабораторий отказались его рассматривать. Мелвин Б. Готтлиб из Принстона был раздражен, спросив: «Как вы думаете, этот комитет может перехитрить ученых?» [69] Поскольку основные лаборатории требовали, чтобы они контролировали свои собственные исследования, одна лаборатория оказалась в стороне. Ок-Ридж изначально вошел в область термоядерного синтеза с исследованиями для систем заправки реакторов, но затем расширился в свою собственную зеркальную программу. К середине 1960-х годов их проекты DCX исчерпали свои идеи, не предлагая ничего, чего не предлагала бы похожая программа в более престижном и политически влиятельном Ливерморе. Это сделало их весьма восприимчивыми к новым концепциям. [70]
После значительных внутренних дебатов Герман Постма сформировал небольшую группу в начале 1969 года для рассмотрения токамака. [70] Они придумали новый проект, позже названный Ормак, который имел несколько новых особенностей. Главной из них был способ создания внешнего поля в одном большом медном блоке, питаемом от большого трансформатора под тором. Это было в отличие от традиционных проектов, которые использовали обмотки электрического тока снаружи. Они чувствовали, что один блок будет создавать гораздо более однородное поле. Это также имело бы преимущество, позволяя тору иметь меньший большой радиус, избегая необходимости прокладывать кабели через отверстие бублика, что приводило к меньшему соотношению сторон , что, как уже предполагали Советы, даст лучшие результаты. [71]
В начале 1969 года Арцимович посетил Массачусетский технологический институт , где его преследовали те, кто интересовался термоядерным синтезом. В конце концов он согласился прочитать несколько лекций в апреле [67] , а затем разрешил длительные сессии вопросов и ответов. По мере того, как они продолжались, сам Массачусетский технологический институт начал интересоваться токамаком, ранее оставаясь в стороне от области термоядерного синтеза по разным причинам. В то время в Массачусетском технологическом институте работал Бруно Коппи , который, следуя тем же концепциям, что и команда Постмы, придумал собственную концепцию с низким соотношением сторон, Alcator . Вместо тороидального трансформатора Ормака, Alcator использовал традиционные кольцевые катушки магнитного поля, но требовал, чтобы они были намного меньше существующих конструкций. Лаборатория магнитов Фрэнсиса Биттера Массачусетского технологического института была мировым лидером в области проектирования магнитов, и они были уверены, что смогут их построить. [67]
В 1969 году в эту область вошли еще две группы. В General Atomics Тихиро Окава разрабатывал многополюсные реакторы и представил концепцию, основанную на этих идеях. Это был токамак с некруглым сечением плазмы; та же математика, которая предполагала, что меньшее соотношение сторон улучшит производительность, также предполагала, что плазма в форме C или D сделает то же самое. Он назвал новую конструкцию Дублет. [72] Тем временем группа из Техасского университета в Остине предлагала относительно простой токамак для исследования нагрева плазмы посредством преднамеренно вызванной турбулентности, Техасский турбулентный токамак. [73]
Когда члены Руководящего комитета по термоядерному синтезу Комиссии по атомной энергии снова встретились в июне 1969 года, у них были «предложения по токамаку, льющиеся из наших ушей». [73] Единственной крупной лабораторией, работающей над тороидальной конструкцией, которая не предлагала токамак, был Принстон, который отказался рассматривать его, несмотря на то, что их стелларатор Model C был почти идеален для такого преобразования. Они продолжали предлагать длинный список причин, по которым Model C не следует преобразовывать. Когда они были подвергнуты сомнению, разгорелись яростные дебаты о том, были ли советские результаты надежными. [73]
Наблюдая за ходом дебатов, Готтлиб изменил свое мнение. Не было смысла двигаться дальше с токамаком, если советские измерения электронной температуры не были точными, поэтому он сформулировал план, чтобы либо доказать, либо опровергнуть их результаты. Плавая в бассейне во время обеденного перерыва, он рассказал Гарольду Фюрту о своем плане, на что Фюрт ответил: «Ну, может быть, ты и прав». [63] После обеда различные команды представили свои проекты, и в этот момент Готтлиб представил свою идею «стелларатора-токамака» на основе модели C. [63]
Постоянный комитет отметил, что эта система может быть завершена за шесть месяцев, в то время как Ormak займет год. [63] Лишь вскоре были опубликованы конфиденциальные результаты Culham Five. Когда они снова встретились в октябре, Постоянный комитет выделил финансирование для всех этих предложений. Новая конфигурация Model C, вскоре названная Symmetrical Tokamak, была предназначена для простой проверки советских результатов, в то время как другие будут исследовать способы выйти далеко за рамки T-3. [74]
Эксперименты на симметричном токамаке начались в мае 1970 года, и к началу следующего года они подтвердили советские результаты, а затем превзошли их. Стелларатор был заброшен, и PPPL обратил свой значительный опыт на проблему нагрева плазмы. Две концепции, казалось, были многообещающими. PPPL предложил использовать магнитное сжатие, пинч-подобный метод сжатия теплой плазмы для повышения ее температуры, но обеспечивая это сжатие посредством магнитов, а не тока. [75] Ок-Ридж предложил инжекцию нейтрального пучка , небольшие ускорители частиц, которые будут стрелять атомами топлива через окружающее магнитное поле, где они будут сталкиваться с плазмой и нагревать ее. [76]
Адиабатический тороидальный компрессор (ATC) компании PPPL начал работу в мае 1972 года, вскоре после этого последовал Ormak, оснащенный нейтральным пучком. Оба продемонстрировали значительные проблемы, но PPPL обогнал Oak Ridge, установив инжекторы пучка на ATC и предоставив четкие доказательства успешного нагрева в 1973 году. Этот успех «вычеркнул» Oak Ridge, который впал в немилость в Вашингтонском руководящем комитете. [77]
К этому времени строилась гораздо более крупная конструкция, основанная на лучевом нагреве, Princeton Large Torus , или PLT. PLT был разработан специально для того, чтобы «дать четкое представление о том, может ли концепция токамака плюс вспомогательный нагрев стать основой для будущего термоядерного реактора». [78] PLT имел огромный успех, постоянно повышая свою внутреннюю температуру, пока она не достигла 60 миллионов градусов Цельсия (8000 эВ, в восемь раз больше рекорда T-3) в 1978 году. Это ключевой момент в разработке токамака; реакции синтеза становятся самоподдерживающимися при температурах от 50 до 100 миллионов градусов Цельсия, PLT продемонстрировал, что это технически достижимо. [78]
Эти эксперименты, особенно PLT, вывели США на лидирующие позиции в исследованиях токамаков. Это во многом обусловлено бюджетом; токамак стоил около 500 000 долларов, а годовой бюджет США на термоядерный синтез в то время составлял около 25 миллионов долларов. [58] Они могли позволить себе исследовать все перспективные методы нагрева, в конечном итоге обнаружив, что нейтральные пучки являются одними из самых эффективных. [79]
В этот период Роберт Хирш занял пост директората по развитию термоядерного синтеза в Комиссии по атомной энергии США . Хирш считал, что программа не может поддерживаться на текущем уровне финансирования без демонстрации ощутимых результатов. Он начал переформулировать всю программу. То, что когда-то было лабораторными усилиями по в основном научным исследованиям, теперь стало усилиями Вашингтона по созданию работающего реактора, производящего энергию. [79] Этому придал импульс нефтяной кризис 1973 года , что привело к значительному увеличению исследований в области альтернативных энергетических систем. [80]
К концу 1970-х годов токамаки достигли всех условий, необходимых для практического термоядерного реактора; в 1978 году PLT продемонстрировал температуры зажигания, в следующем году советский Т-7 впервые успешно использовал сверхпроводящие магниты, [81] Дублет оказался успешным и привел к тому, что почти все будущие проекты приняли этот подход «сформированной плазмы». Казалось, все, что требовалось для создания реактора, производящего энергию, — это поместить все эти концепции дизайна в одну машину, которая могла бы работать с радиоактивным тритием в своей топливной смеси. [82]
В 1970-х годах по всему миру финансировались четыре крупных проекта второго поколения. Советы продолжили свою линию развития с T-15, [81] в то время как общеевропейские усилия разрабатывали Joint European Torus (JET), а Япония начала работу над JT-60 (первоначально известную как «Breakeven Plasma Test Facility»). В США Хирш начал разрабатывать планы для похожей конструкции, пропуская предложения по другой промежуточной конструкции непосредственно к конструкции, сжигающей тритий. Это стало называться реактором для испытаний термоядерного синтеза Tokamak (TFTR), работающим напрямую из Вашингтона и не связанным с какой-либо конкретной лабораторией. [82] Первоначально предпочитая Ок-Ридж в качестве принимающей стороны, Хирш перенес его в PPPL после того, как другие убедили его, что они будут работать над этим усерднее всего, потому что им было что терять. [83]
Волнение было настолько всеобщим, что несколько коммерческих предприятий по производству коммерческих токамаков начались примерно в это же время. Наиболее известным из них является то, что в 1978 году Боб Гуччионе , издатель журнала Penthouse Magazine , встретился с Робертом Буссардом и стал крупнейшим и наиболее преданным частным инвестором в мире в технологии термоядерного синтеза, в конечном итоге вложив 20 миллионов долларов собственных денег в Компактный токамак Буссарда. Финансирование со стороны Riggs Bank привело к тому, что эта инициатива стала известна как Riggatron . [84]
TFTR выиграл гонку за строительство и начал работу в 1982 году, за ним вскоре последовали JET в 1983 году и JT-60 в 1985 году. JET быстро занял лидирующее положение в критических экспериментах, перейдя от испытательных газов к дейтерию и все более мощным «выстрелам». Но вскоре стало ясно, что ни одна из новых систем не работает так, как ожидалось. Появилось множество новых нестабильностей, а также ряд более практических проблем, которые продолжали мешать их работе. Вдобавок к этому, опасные «выходы» плазмы, ударяющейся о стенки реактора, были очевидны как в TFTR, так и в JET. Даже при идеальной работе удержание плазмы при температурах синтеза, так называемый « тройной продукт синтеза », продолжало быть намного ниже того, что было бы необходимо для практической конструкции реактора.
К середине 1980-х годов причины многих из этих проблем стали ясны, и были предложены различные решения. Однако они значительно увеличили бы размер и сложность машин. Последующая конструкция, включающая эти изменения, была бы и огромной, и значительно более дорогой, чем JET или TFTR. Наступил новый период пессимизма в области термоядерного синтеза.
.jpg/1280px-U.S._Department_of_Energy_-_Science_-_425_003_001_(9786811206).jpg)
В то же время, когда эти эксперименты выявили проблемы, значительная часть стимулов для масштабного финансирования со стороны США исчезла; в 1986 году Рональд Рейган объявил, что энергетический кризис 1970-х годов закончился, [85] а финансирование передовых источников энергии было сокращено в начале 1980-х годов.
Некоторые мысли о международном проекте реактора продолжались с июня 1973 года под названием INTOR, для INternational TOkamak Reactor. Первоначально это было начато через соглашение между Ричардом Никсоном и Леонидом Брежневым , но продвигалось медленно с момента их первой реальной встречи 23 ноября 1978 года. [86]
Во время Женевского саммита в ноябре 1985 года Рейган поднял этот вопрос перед Михаилом Горбачевым и предложил реформировать организацию. «... Оба лидера подчеркнули потенциальную важность работы, направленной на использование управляемого термоядерного синтеза в мирных целях, и в этой связи выступили за максимально широкое развитие международного сотрудничества в получении этого источника энергии, который по сути неисчерпаем, на благо всего человечества». [87]
В следующем году было подписано соглашение между США, Советским Союзом, Европейским Союзом и Японией о создании Международной организации по экспериментальному термоядерному реактору . [88] [89]
Проектные работы начались в 1988 году, и с тех пор реактор ИТЭР стал основным проектом токамака в мире.
Уже давно известно, что более сильные магниты поля позволят получить высокий прирост энергии в гораздо меньших токамаках. Такие концепции, как FIRE, IGNITOR и Compact Ignition Tokamak (CIT), были предложены несколько десятилетий назад.
Коммерческая доступность высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в 2010-х годах открыла многообещающий путь к созданию магнитов с более высоким полем, необходимых для достижения уровней усиления энергии, подобных ИТЭР, в компактном устройстве. Чтобы использовать эту новую технологию, Центр плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института (PSFC) и спин-офф MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS) успешно построили и испытали в 2021 году катушку модели тороидального поля (TFMC), чтобы продемонстрировать необходимое магнитное поле в 20 Тесла, необходимое для создания SPARC , устройства, предназначенного для достижения аналогичного усиления термоядерного синтеза , как ИТЭР, но с объемом плазмы всего лишь ~1/40 ИТЭР.
Британский стартап Tokamak Energy также планирует построить токамак с чистой энергией, использующий ВТСП-магниты, но в сферическом варианте токамака.
Совместный реактор ЕС и Японии JT-60SA получил первую плазму 23 октября 2023 года после двухлетней задержки, вызванной коротким замыканием. [90] [91]
Положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны в термоядерной плазме находятся при очень высоких температурах и имеют соответственно большие скорости. Для поддержания процесса термоядерного синтеза частицы из горячей плазмы должны быть ограничены в центральной области, иначе плазма быстро остынет. Устройства термоядерного синтеза с магнитным удержанием используют тот факт, что заряженные частицы в магнитном поле испытывают силу Лоренца и следуют по винтовым траекториям вдоль линий поля. [92]
Простейшей системой магнитного удержания является соленоид . Плазма в соленоиде будет вращаться по спирали вокруг линий поля, проходящих по его центру, предотвращая движение к сторонам. Однако это не препятствует движению к концам. Очевидное решение — согнуть соленоид в круг, образовав тор. Однако было показано, что такое расположение не является однородным; по чисто геометрическим причинам поле на внешнем крае тора ниже, чем на внутреннем крае. Эта асимметрия заставляет электроны и ионы дрейфовать по полю и в конечном итоге ударяться о стенки тора. [29]
Решение состоит в том, чтобы сформировать линии так, чтобы они не просто бегали по тору, а закручивались, как полоски на парикмахерском шесте или леденце . В таком поле любая отдельная частица окажется на внешнем крае, где она будет дрейфовать в одну сторону, скажем, вверх, а затем, следуя своей магнитной линии вокруг тора, она окажется на внутреннем крае, где она будет дрейфовать в другую сторону. Это погашение не идеально, но расчеты показали, что этого достаточно, чтобы позволить топливу оставаться в реакторе в течение полезного времени. [92]
Двумя первыми решениями по созданию конструкции с требуемым скручиванием были стелларатор , который делал это посредством механического устройства, скручивая весь тор, и конструкция z-pinch, которая пропускала электрический ток через плазму, чтобы создать второе магнитное поле на том же конце. Оба продемонстрировали улучшенное время удержания по сравнению с простым тором, но оба также продемонстрировали различные эффекты, которые вызывали потерю плазмы из реакторов со скоростью, которая не была устойчивой.
Токамак по сути идентичен концепции z-пинча по своей физической компоновке. [93] Его ключевым нововведением было осознание того, что нестабильности, которые заставляли пинч терять свою плазму, можно контролировать. Проблема была в том, насколько «извилистыми» были поля; поля, которые заставляли частицы проходить внутрь и наружу более одного раза за орбиту вокруг длинной оси тора, были намного более стабильными, чем устройства, которые имели меньшее скручивание. Это отношение скручиваний к орбитам стало известно как коэффициент безопасности , обозначаемый q . Предыдущие устройства работали при q около 1 ⁄ 3 , в то время как токамак работает при q ≫ 1 . Это увеличивает стабильность на порядки.
При еще более пристальном рассмотрении проблемы возникает необходимость в вертикальной (параллельной оси вращения) составляющей магнитного поля. Сила Лоренца тороидального плазменного тока в вертикальном поле обеспечивает внутреннюю силу, удерживающую плазменный тор в равновесии.
В то время как токамак решает проблему стабильности плазмы в общем смысле, плазма также подвержена ряду динамических нестабильностей. Одна из них, неустойчивость перегиба , сильно подавляется схемой токамака, побочный эффект высоких коэффициентов безопасности токамаков. Отсутствие перегибов позволило токамаку работать при гораздо более высоких температурах, чем предыдущие машины, и это позволило появиться множеству новых явлений.
Одна из них, банановые орбиты , вызвана широким диапазоном энергий частиц в токамаке — большая часть топлива горячая, но определенный процент намного холоднее. Из-за высокой закрутки полей в токамаке частицы, следующие своим силовым линиям, быстро движутся к внутреннему краю, а затем к внешнему. По мере того, как они движутся внутрь, они подвергаются воздействию увеличивающихся магнитных полей из-за меньшего радиуса, концентрирующего поле. Низкоэнергетические частицы в топливе будут отражаться от этого увеличивающегося поля и начнут двигаться назад через топливо, сталкиваясь с ядрами с более высокой энергией и рассеивая их из плазмы. Этот процесс приводит к потере топлива из реактора, хотя этот процесс достаточно медленный, чтобы практический реактор все еще был в пределах досягаемости. [94]
Другая нестабильность — это разрывная нестабильность. В 2024 году исследователи использовали обучение с подкреплением против мультимодальной динамической модели для измерения и прогнозирования таких нестабильностей на основе сигналов от множественных диагностик и исполнительных механизмов с интервалом в 25 миллисекунд. Этот прогноз использовался для снижения разрывной нестабильности в DIII-D6 в США. Функция вознаграждения уравновешивала противоречивые цели максимального давления плазмы и рисков нестабильности. В частности, плазма активно отслеживала стабильный путь, сохраняя производительность H-режима. [95] [96]
Одной из первых целей для любого управляемого термоядерного устройства является достижение точки безубыточности , точки, в которой энергия, высвобождаемая в ходе термоядерных реакций, равна количеству энергии, используемой для поддержания реакции. Отношение выходной энергии к входной обозначается Q , а безубыточность соответствует Q, равному 1. Для того чтобы реактор вырабатывал чистую энергию, необходимо значение Q больше единицы, но по практическим соображениям желательно, чтобы оно было намного выше.
После достижения точки безубыточности дальнейшее улучшение удержания обычно приводит к быстрому увеличению Q. Это происходит потому, что часть энергии, выделяемой реакциями синтеза наиболее распространенного термоядерного топлива, смеси дейтерия и трития в соотношении 50/50 , находится в форме альфа-частиц . Они могут сталкиваться с ядрами топлива в плазме и нагревать ее, уменьшая количество необходимого внешнего тепла. В определенный момент, известный как зажигание , этого внутреннего самонагрева достаточно, чтобы поддерживать реакцию без внешнего нагрева, что соответствует бесконечному Q.
В случае токамака этот процесс саморазогрева максимизируется, если альфа-частицы остаются в топливе достаточно долго, чтобы гарантировать, что они столкнутся с топливом. Поскольку альфа-частицы электрически заряжены, они подвергаются воздействию тех же полей, которые ограничивают топливную плазму. Количество времени, которое они проводят в топливе, может быть максимизировано, если гарантировать, что их орбита в поле остается внутри плазмы. Можно продемонстрировать, что это происходит, когда электрический ток в плазме составляет около 3 МА. [97]
В начале 1970-х годов в Принстоне проводились исследования по использованию сверхпроводящих магнитов большой мощности в будущих конструкциях токамаков, в ходе которых изучалась компоновка магнитов. Они заметили, что расположение основных тороидальных катушек означало, что между магнитами на внутренней стороне кривизны, где они были ближе друг к другу, было значительно большее напряжение. Учитывая это, они отметили, что силы натяжения внутри магнитов будут выравниваться, если они будут иметь форму буквы D, а не буквы O. Это стало известно как «D-катушка Принстона». [98]
Это был не первый раз, когда рассматривалась такая компоновка, хотя и по совершенно другим причинам. Коэффициент безопасности меняется по оси машины; по чисто геометрическим причинам он всегда меньше на внутреннем крае плазмы, ближайшем к центру машины, потому что длинная ось там короче. Это означает, что машина со средним q = 2 все еще может быть меньше 1 в определенных областях. В 1970-х годах было высказано предположение, что одним из способов противодействия этому и создания конструкции с более высоким средним q было бы формирование магнитных полей таким образом, чтобы плазма заполняла только внешнюю половину тора, имеющую форму D или C при взгляде с торца, а не нормальное круглое поперечное сечение.
Одной из первых машин, включающей D-образную плазму, была JET , проектирование которой началось в 1973 году. Это решение было принято как по теоретическим, так и по практическим причинам; поскольку сила больше на внутреннем крае тора, существует большая чистая сила, давящая внутрь на весь реактор. D-образная форма также имела преимущество в уменьшении чистой силы, а также делала поддерживаемый внутренний край более плоским, чтобы его было легче поддерживать. [99] Код, исследующий общую компоновку, заметил, что некруглая форма будет медленно дрейфовать вертикально, что привело к добавлению активной системы обратной связи, чтобы удерживать ее в центре. [100] После того, как JET выбрала эту компоновку, команда General Atomics Doublet III перепроектировала эту машину в D-IIID с D-образным поперечным сечением, и она была выбрана также для японской конструкции JT-60 . С тех пор эта компоновка стала в значительной степени универсальной.
Одна из проблем, наблюдаемых во всех термоядерных реакторах, заключается в том, что присутствие более тяжелых элементов приводит к потере энергии с большей скоростью, охлаждая плазму. На самых ранних этапах развития термоядерной энергетики было найдено решение этой проблемы — дивертор , по сути, большой масс-спектрометр , который заставлял более тяжелые элементы выбрасываться из реактора. Первоначально это было частью конструкции стелларатора , где его легко интегрировать в магнитные обмотки. Однако проектирование дивертора для токамака оказалось очень сложной конструкторской проблемой.
Другая проблема, наблюдаемая во всех конструкциях термоядерного синтеза, — это тепловая нагрузка, которую плазма оказывает на стенку сосуда удержания. Существуют материалы, которые могут выдерживать эту нагрузку, но они, как правило, нежелательны и дороги, это тяжелые металлы . Когда такие материалы распыляются при столкновениях с горячими ионами, их атомы смешиваются с топливом и быстро охлаждают его. Решение, используемое в большинстве конструкций токамака, — это ограничитель , небольшое кольцо из легкого металла, которое выступало в камеру так, чтобы плазма ударялась о него до того, как удариться о стенки. Это разрушало ограничитель и заставляло его атомы смешиваться с топливом, но эти более легкие материалы вызывают меньше разрушений, чем материалы стенок.
Когда реакторы перешли на плазму D-образной формы, быстро заметили, что выходящий поток частиц плазмы также может быть сформирован. Со временем это привело к идее использования полей для создания внутреннего дивертора, который выбрасывает более тяжелые элементы из топлива, как правило, в нижнюю часть реактора. Там бассейн жидкого лития используется как своего рода ограничитель; частицы ударяются о него и быстро охлаждаются, оставаясь в литии. Этот внутренний бассейн намного легче охлаждать из-за его расположения, и хотя некоторые атомы лития высвобождаются в плазму, его очень малая масса делает его гораздо меньшей проблемой, чем даже самые легкие металлы, используемые ранее.
Когда машины начали исследовать эту новую форму плазмы , они заметили, что определенные конфигурации полей и параметров плазмы иногда входили в то, что сейчас известно как режим высокого ограничения , или H-режим, который работал стабильно при более высоких температурах и давлениях. Работа в H-режиме, который также можно увидеть в стеллараторах, теперь является основной целью проектирования токамака.
Наконец, было отмечено, что когда плазма имеет неоднородную плотность, она будет вызывать внутренние электрические токи. Это известно как ток бутстрепа . Это позволяет правильно спроектированному реактору генерировать часть внутреннего тока, необходимого для закручивания линий магнитного поля, без необходимости подачи его из внешнего источника. Это имеет ряд преимуществ, и все современные конструкции пытаются генерировать как можно большую часть своего общего тока через процесс бутстрепа.
К началу 1990-х годов сочетание этих и других характеристик в совокупности породило концепцию «продвинутого токамака». Это формирует основу современных исследований, включая ИТЭР.
Токамаки подвержены событиям, известным как «срывы», которые приводят к потере удержания за миллисекунды . Существует два основных механизма. В одном из них, «событие вертикального смещения» (VDE), вся плазма движется вертикально, пока не коснется верхней или нижней части вакуумной камеры. В другом, «основное разрушение», длинноволновые, неосесимметричные магнитогидродинамические неустойчивости заставляют плазму принимать несимметричные формы, часто сжимаясь в верхней и нижней части камеры. [101]
Когда плазма касается стенок сосуда, она подвергается быстрому охлаждению или «термическому гашению». В случае крупного нарушения это обычно сопровождается кратковременным увеличением тока плазмы по мере того, как плазма концентрируется. Гашение в конечном итоге приводит к разрушению удержания плазмы. В случае крупного нарушения ток снова падает, «токовое гашение». Первоначальное увеличение тока не наблюдается в VDE, а тепловое и токовое гашение происходит одновременно. [101] В обоих случаях тепловая и электрическая нагрузка плазмы быстро осаждается на корпусе реактора, который должен быть в состоянии справиться с этими нагрузками. ИТЭР спроектирован так, чтобы справиться с 2600 такими событиями в течение своего срока службы. [102]
Для современных высокоэнергетических устройств, где плазменные токи составляют порядка 15 мегаампер в ИТЭР , возможно, что кратковременное увеличение тока во время крупного сбоя пересечет критический порог. Это происходит, когда ток создает силу на электронах, которая выше, чем силы трения столкновений между частицами в плазме. В этом случае электроны могут быстро ускоряться до релятивистских скоростей, создавая так называемые «убегающие электроны» в релятивистской лавине убегающих электронов . Они сохраняют свою энергию, даже когда гашение тока происходит в основной части плазмы. [102]
Когда ограничение в конце концов нарушается, эти убегающие электроны следуют по пути наименьшего сопротивления и ударяются о боковую часть реактора. Они могут достигать 12 мегаампер тока, помещенного в небольшую область, что намного превышает возможности любого механического решения. [101] В одном известном случае в токамаке Фонтене-о-Роз произошел крупный сбой, когда убегающие электроны прожгли дыру в вакуумной камере. [102]
Частота возникновения крупных сбоев в работе токамаков всегда была довольно высокой, порядка нескольких процентов от общего числа выстрелов. В токамаках, которые эксплуатируются в настоящее время, ущерб часто бывает большим, но редко драматичным. В токамаке ИТЭР ожидается, что возникновение ограниченного числа крупных сбоев окончательно повредит камеру без возможности восстановления устройства. [103] [104] [105] Разработка систем противодействия эффектам убегающих электронов считается обязательной частью технологии для эксплуатационного уровня ИТЭР. [102]
Большая амплитуда центральной плотности тока может также привести к внутренним разрывам или пилообразным дефектам, которые обычно не приводят к прекращению разряда. [106]
Плотности, превышающие предел Гринвальда, предел, зависящий от тока плазмы и малого радиуса, обычно приводят к сбоям. [107] [108] Он был превышен вплоть до 10 раз, [109] но он остается важной концепцией, описывающей феноменологию перехода плазменного потока, которую все еще необходимо понять. [110]
В работающем термоядерном реакторе часть вырабатываемой энергии будет использоваться для поддержания температуры плазмы по мере введения свежего дейтерия и трития . Однако при запуске реактора, либо изначально, либо после временного отключения, плазму необходимо будет нагреть до рабочей температуры более 10 кэВ (более 100 миллионов градусов Цельсия). В текущих экспериментах по магнитному термоядерному синтезу на токамаке (и других) вырабатывается недостаточно энергии термоядерного синтеза для поддержания температуры плазмы, и необходимо обеспечить постоянный внешний нагрев. Китайские исследователи создали экспериментальный усовершенствованный сверхпроводящий токамак (EAST) в 2006 году, который, как предполагается, может поддерживать температуру плазмы в 100 миллионов градусов Цельсия для инициирования термоядерного синтеза между атомами водорода, согласно тесту, проведенному в ноябре 2018 года.
Поскольку плазма является электрическим проводником, ее можно нагревать, пропуская через нее ток; индуцированный ток, который обеспечивает большую часть полоидального поля, также является основным источником начального нагрева.
Нагрев, вызванный индуцированным током, называется омическим (или резистивным) нагревом; это тот же самый вид нагрева, который происходит в электрической лампочке или в электрическом нагревателе. Вырабатываемое тепло зависит от сопротивления плазмы и величины электрического тока, проходящего через нее. Но по мере повышения температуры нагретой плазмы сопротивление уменьшается, и омический нагрев становится менее эффективным. Похоже, что максимальная температура плазмы, достижимая при омическом нагреве в токамаке, составляет 20–30 миллионов градусов Цельсия. Для получения еще более высоких температур необходимо использовать дополнительные методы нагрева.
Ток индуцируется путем постоянного увеличения тока через электромагнитную обмотку, связанную с плазменным тором: плазму можно рассматривать как вторичную обмотку трансформатора. Это по своей сути импульсный процесс, поскольку существует ограничение тока через первичную обмотку (есть также другие ограничения для длинных импульсов). Поэтому токамаки должны либо работать в течение коротких периодов, либо полагаться на другие средства нагрева и управления током.
Газ можно нагреть внезапным сжатием. Точно так же температура плазмы увеличивается, если она быстро сжимается за счет увеличения удерживающего магнитного поля. В токамаке это сжатие достигается просто перемещением плазмы в область более сильного магнитного поля (т. е. радиально внутрь). Поскольку сжатие плазмы сближает ионы, этот процесс имеет дополнительное преимущество, облегчая достижение требуемой плотности для термоядерного реактора.
Магнитное сжатие было областью исследований в раннем "токамакском паническом бегстве" и было целью одного крупного проекта, ATC. С тех пор эта концепция не получила широкого распространения, хотя несколько похожая концепция является частью проекта General Fusion .
Инжекция нейтрального пучка подразумевает введение высокоэнергетических (быстро движущихся) атомов или молекул в омически нагретую и магнитно удерживаемую плазму внутри токамака.
Высокоэнергетические атомы возникают в виде ионов в дуговой камере, а затем извлекаются через набор сеток высокого напряжения. Термин «источник ионов» обычно используется для обозначения сборки, состоящей из набора нитей, испускающих электроны, объема дуговой камеры и набора сеток извлечения. Второе устройство, аналогичное по концепции, используется для отдельного ускорения электронов до той же энергии. Гораздо меньшая масса электронов делает это устройство намного меньше, чем его ионный аналог. Затем два пучка пересекаются, где ионы и электроны рекомбинируют в нейтральные атомы, позволяя им перемещаться через магнитные поля.
После того, как нейтральный пучок попадает в токамак, происходит взаимодействие с основными ионами плазмы. Это имеет два эффекта. Один из них заключается в том, что инжектированные атомы повторно ионизируются и становятся заряженными, тем самым оказываясь запертыми внутри реактора и добавляясь к массе топлива. Другой заключается в том, что процесс ионизации происходит посредством столкновений с остальной частью топлива, и эти столкновения вкладывают энергию в это топливо, нагревая его.
Эта форма нагрева не имеет внутренних ограничений по энергии (температуре), в отличие от омического метода, но ее скорость ограничена током в инжекторах. Напряжения извлечения источника ионов обычно составляют порядка 50–100 кВ, а для ИТЭР разрабатываются источники отрицательных ионов высокого напряжения (-1 МВ). Испытательная установка нейтрального пучка ИТЭР в Падуе станет первой установкой ИТЭР, которая начнет работу. [111]
Хотя инжекция нейтрального пучка используется в основном для нагрева плазмы, ее также можно использовать в качестве диагностического инструмента и для управления с обратной связью, создавая импульсный пучок, состоящий из ряда коротких 2–10 мс вспышек пучка. Дейтерий является основным топливом для систем нагрева нейтрального пучка, а водород и гелий иногда используются для отдельных экспериментов.
Высокочастотные электромагнитные волны генерируются осцилляторами (часто гиротронами или клистронами ) вне тора. Если волны имеют правильную частоту (или длину волны) и поляризацию, их энергия может быть передана заряженным частицам в плазме, которые, в свою очередь, сталкиваются с другими частицами плазмы, тем самым повышая температуру основной плазмы. Существуют различные методы, включая нагрев с помощью электронного циклотронного резонанса (ECRH) и нагрев с помощью ионного циклотронного резонанса . Эта энергия обычно передается с помощью микроволн.
Плазменные разряды в вакуумной камере токамака состоят из заряженных ионов и атомов. Энергия этих частиц в конечном итоге достигает внутренней стенки камеры через излучение, столкновения или отсутствие ограничения. Тепло от частиц отводится посредством проводимости через внутреннюю стенку камеры в систему водяного охлаждения, где нагретая вода поступает во внешнюю систему охлаждения посредством конвекции.
Турбомолекулярные или диффузионные насосы позволяют откачивать частицы из основного объема, а криогенные насосы, состоящие из охлаждаемой жидким гелием поверхности, служат для эффективного управления плотностью во всем разряде, обеспечивая сток энергии для конденсации. При правильном выполнении реакции синтеза производят большое количество нейтронов высокой энергии . Будучи электрически нейтральными и относительно маленькими, нейтроны не подвержены влиянию магнитных полей и не сильно задерживаются окружающей вакуумной камерой.
Поток нейтронов значительно уменьшается на специально построенной границе нейтронного щита, который окружает токамак во всех направлениях. Материалы для щита различаются, но, как правило, это материалы, состоящие из атомов, близких по размеру к нейтронам, поскольку они лучше всего поглощают нейтроны и их энергию. Хорошими кандидатами являются материалы с большим содержанием водорода, такие как вода и пластик. Атомы бора также являются хорошими поглотителями нейтронов. Таким образом, бетон и полиэтилен, легированные бором, являются недорогими материалами для защиты от нейтронов.
После освобождения нейтрон имеет относительно короткий период полураспада, около 10 минут, прежде чем он распадется на протон и электрон с выделением энергии. Когда придет время фактически попытаться выработать электричество с помощью реактора на основе токамака, некоторые из нейтронов, произведенных в процессе синтеза, будут поглощены жидкометаллическим бланкетом, а их кинетическая энергия будет использована в процессах теплопередачи, чтобы в конечном итоге включить генератор.
(в хронологическом порядке начала деятельности)
.jpg/1280px-Iter_aerial_2017_Halfway_to_first_plasma_(45588568915).jpg)
